基于WRF模式的青岛沿海地区近地面风的敏感性研究

沿海地区受风的影响较大,不仅受大尺度季风的影响还受到中小尺度局地风的影响,利用WRF模式从参数化组合方案、土地利用数据、水平网格精度以及耦合UCM四个方面对青岛沿海地区近地面风进行了模拟和比较。结果表明,微物理方案和边界层方案对研究区近地面风的影响较大,WSM3+YSU+Revised MM5 Monin-Obukhov+KF的参数化组合方案对研究区的模拟效果较好,相关系数在0.50~0.75之间,均方根误差在1.44~1.61之间。LUCC2015和TM2015土地利用数据能够更好地反映研究区的土地利用类型的分布特征,两者的模拟效果优于MODIS2001和MODIS2013。随着水平分辨率的提高,对地形刻画越精准,模拟效果越好,并且WRF+UCM方案能显著降低城市地区近地面风速,优化模拟结果。沿海地区近地面风的影响因素较为复杂,考虑模式的参数化方案组合、土地利用数据、地形和城市等多种因素,以期为沿海地区近地面风的模拟提供依据。

春季黄海海雾WRF参数化方案敏感性研究

利用2005-2011年10次春季黄海海雾个例开展WRF模式参数化方案敏感性研究。结果表明:边界层方案对WRF模式雾区模拟结果起决定作用,而微物理方案影响较小,它主要影响海雾浓度和高度。边界层与微物理方案的最佳组合为YSU与Lin方案,最差为Mellor-Yamada与WSM5方案;Mellor-Yamada和QNSE方案模拟的近海面湍流过强,导致边界层过高,不利于海雾的发展与维持;而MYNN与YS[J方案刻画的湍流强度与边界层高度合适,有利于海雾发展与维持。MYNN方案虽与YSU方案相当,但在大多数海雾个例中,后者明显优于前者,而在有些个例中却刚好相反。因此对于某一具体海雾个例而言,所用边界层方案仍需在它们之中选择最优者。这些信息可为黄海海雾WRF模式边界层与微物理方案的选择与改进提供参考。

长波辐射对大气变化的敏感性和在WRF模式中的应用检验

用RRTM长波辐射 (LWR)参数化方案测试了LWR对大气变化的敏感性。结果表明 :高云对向外长波辐射(OLR)、30 0和 5 0 0hPa净LWR通量的减弱作用较中、低云大 ;低云对 85 0hPa和地表净LWR通量的减弱作用较中、高云大。在云层中 ,LWR冷却率受云影响最大 ;在云层下方 ,云对LWR的影响迅速减小 ;而在云层上方 ,冷却率几乎不受云的影响。当水汽含量减少或增加时 ,地表向下LWR受到相应减弱或增强 ,而净LWR则在一定程度上受到相应增强或减弱 ,并且越接近地面 ,受到水汽变化的影响就越大。O3 对LWR的影响相对云和水汽来说是比较小的。文中介绍了在WRF模式中应用RRTM方案预报LWR不同季节的 2个个例 ,给出了应用NCEP/AVN分析资料预报和验证中国范围 2d之内LWR通量的模拟结果。试验表明 ,OLR和 5 0 0hPa净LWR通量与高度形势场有较好的对应关系 ,而地表净LWR很大程度上还受到地形的影响。

WRF模拟青藏高原东南部极端旱涝年降水的参数敏感性研究

为了进一步评估和提高区域模式对青藏高原地区极端气候的模拟能力,利用WRF模式,采用不同模式参数(包括边界位置、积云对流、边界层参数化方案和水平分辨率)模拟了青藏高原东南部极端旱(2006年)、涝(1998年)年夏季降水。对比不同参数模拟的降水结果表明:整体而言,无论是旱年还是涝年,除南边界以外的模式边界位置对高原主体和东南部降水模拟的影响较小;边界层方案对降水空间形态的模拟影响较小,而对降水量级的影响较大;积云对流方案对降水空间形态和量级的影响均较大;采用15 km水平分辨率时可显著改善模式对高原主体和东南部降水的模拟水平。WRF采用适当的参数组合能较好地模拟高原主体和东南部降水的空间分布,但降水量偏大。整体而言,能较好模拟旱年降水的边界层和积云对流参数化方案组合也能较好模拟涝年降水。模式模拟的高原南侧降水偏多可能使高原南侧西风偏强,并进一步造成云南西南部降水偏多;湖南南部降水偏多可能在云南东北部至贵州地区激发出较强的气旋式环流偏差,该偏差环流在四川盆地形成异常强的偏北风,导致低纬度地区进入四川盆地的水汽偏小,从而在四川盆地形成明显的相对干偏差。因此,模式在四川盆地降水模拟能力的提高不仅要做好参数的本地化工作,还需要关注盆地以外地区的影响。

WRF模式夏季气温和降水模拟对陆面方案敏感性的评估

利用NCEP 1°×1°再分析资料,采用WRF V3模式和不同的陆面参数化方案(SLAB、NOAH、RUC、PLEX)对中国2003年夏季气温和降水进行数值模拟试验,评估其对陆面方案的敏感性,并着重分析在干旱、半干旱的西北地区以及湿润的华东地区不同陆面方案对气温和降水模拟的影响。结果表明:1)模式整体上能较好地模拟出总区域的气温场和降水场,但不同陆面方案间模拟结果存在一些差异,其中NOAH(SLAB)方案模拟结果最好(最差)。2)对子区域而言,模拟气温和降水对陆面方案均较为敏感。受气候特征的影响,华东地区气温和降水模拟对陆面方案的敏感性存在较大的差异,其中降水模拟的敏感性很高。此外,模拟的气温和降水空间分布形势在西北地区均较好,但其对陆面方案的敏感性在华东地区较高。3)模拟降水对陆面方案的敏感性要高于气温模拟。

河谷局地气象场的WRF模式边界层方案敏感性分析

在河谷局地气象场对泄洪雾化的影响研究中,不同边界层方案的模拟效果并不明确,需要对边界层方案进行敏感性分析。使用WRF模式获取河谷地形的局地气象场,选择RMM5近地面层方案并搭配使用8种边界层方案进行对比分析。研究表明:风速受到河谷地形的影响,模拟效果不够理想,可耦合小尺度数值模式以提高其模拟效果;WRF能模拟河谷地形的狭管效应、风速增大以及风向逐渐偏向河谷方向,压强和温度的模拟效果较好。综合各气象要素的模拟结果,YSU和MYNN2边界层方案的模拟精度较高。该方法对泄洪雾化效应和水库环境水文气象效应研究具有参考价值。

大气环流模式中陆面过程的参数化及其敏感性研究

本文就大气环流模式中引入陆面过程的各种参数化方法及大气环流和降水对各种陆面过程的敏感性研究进行了综述.首先指出大气环流模式中引入陆面过程的必要性;然后介绍了大气环流模式中陆面过程参数化的历史和现状,以及大气对陆面过程的敏感性;最后是对今后研究的展望.

WRF模式对澳洲一次热带深对流系统的模拟研究

利用WRF(Weather Research Forecast)模式和1°×1°NCEP全球分析资料对2005年11月16日澳大利亚北部Tiwi岛上的一次热带深对流个例进行了数值模拟,对模式网格分辨率和微物理参数化方案的影响进行了敏感性试验,并与实测资料进行了对比。试验结果显示:模式较好地再现了这次热带对流云的日变化特征,即早期降水由沿岸的海风锋初始对流形成,之后出现单体合并现象并最终形成成熟的深对流系统。但是,模式在模拟深对流系统出现的时间及位置方面仍然需要改进。敏感性试验显示,就本次个例而言,二重嵌套方案在降水分布以及降水强度方面的模拟结果比非嵌套方案更接近实际探测。另外,微物理过程参数化方案对降水量的模拟也有一定影响,采用Purdue Lin方案的模拟结果更接近于实测情况。

WRF-Hydro模式在水文模拟与预报应用中的研究进展

介绍了WRF-Hydro模式的应用进展,探讨和总结了WRF-Hydro在水文模拟与预报中的应用概况、主要参数的敏感性及在应用中WRF/WRF-Hydro双耦模式与WRF独立运行模式的异同。结果表明,WRFHydro能够对水循环关键要素如降水、土壤湿度、产流等实现在耦合、非耦合情况下的模拟和预报,是具有物理机制的数值预报工具,能够进一步改进水文气象要素的模拟和预报能力;在应用和分析其水文性能前,应对WRF-Hydro的主要参数进行敏感性试验和率定。通常,入渗系数被认为是对产流量影响最敏感的参数,曼宁糙率是对流量过程线影响最大的参数;与WRF模式相比,WRF/WRF-Hydro双耦模式能够在不同空间网格上实现对大气、陆面和水文过程的多尺度模拟,能够更好地模拟降雨和陆面水循环过程;WRF-Hydro与大气模式的耦合将成为未来大气水文耦合研究的发展趋势,但现在双向耦合的研究尚未完全成熟,还需在更多不同气候区的不同类型流域、针对不同降雨产流过程进行进一步的验证,同时开展参数优化技术研究,以提高水文气象要素的模拟预报能力。

南岭地形对湖南省冻雨形成与分布的敏感性研究

湖南南岭地形对冻雨形成与分布有重要影响。利用WRF模式模拟了南岭地形对冻雨进行了敏感性试验,结果显示:静止锋是湖南冻雨形成的主要背景,WRF模拟的冻雨区域与观测吻合。山脉的降低或抬升,仅轻微地影响冻雨的空间分布和冻雨量,静止锋对冻雨的影响远较地形要大。随着山脉降低,地面0℃线北移,逆温层强度增大,不利于冻雨发生;相反,山脉抬升使冷空气更易在湖南境内堆积,冻雨区变大。冻雨发生时,在南岭北部形成背风波,导致冻雨降水带呈西南-东北的条状带分布;随着地形抬升,背风波振幅增大且锋面坡度减小,其上的云团被背风波打碎成条状。同时,抬升的地形阻挡了西南暖湿气流,背风坡水汽变少,焚风效应增强,南岭以北的冻雨范围减小。

一次天气过程的初始时间敏感性研究

本文以2011年第九号"梅花"台风为研究对象,利用WRF模式模拟输出降水与实况对比,确定控制实验,模式初始场和边界场资料采用NCEP FNL(Final)Operational Global Analysis Data,空间分辨率为1°×1°,时间分辨率为6 h。雷达回波每小时实况资料取自中央气象台历史气象资料。日降水资料取自中国逐日格点降水量实时分析系统(1.0版)数据集SURF_CLI_CHN_PRE_DAY_GRID_0.25,通过改变模式模拟的初始时间,研究WRF模式模拟出的登陆台风强度和降水分布等演变特征对初始时间的敏感性。

不同陆面过程对暴雨数值模拟的敏感性研究

本文使用中尺度数值模式WRFV2.2,利用NCEP再分析资料,以2003-07一次江淮暴雨过程为例进行了不同陆面过程方案敏感性的数值研究,分析不同陆面过程方案对暴雨数值模拟的影响。模拟结果证明陆面过程在暴雨的数值模拟中起到重要作用。

平流层火山灰气溶胶层对全球温度影响的敏感性研究

本文的数值实验结果表明;火山喷发主要造成全球性降温,火山所在的纬度和喷发的季节都可以对喷发后全球温度变化的形式产生影响。需要特别注意的是,火山喷发,尤其是北半球高纬春夏季节的喷发,能产生很强的冷夏作用,可能会对全球天气、气候的变化产生深远的影响。

广州人为热初步估算及敏感性分析

考虑了工业、交通和生活三种人为热排放源,利用广州市工业和生活能源消耗量、汽车保有量、主干道车流量等数据,估算出广州人为热日变化排放通量,全天平均排放通量41.1 W.m-2,最大排放通量出现在11时,为72.3 W.m-2,其中工业排放占总排放量68.6%。利用耦合到WRF中的单层城市冠层模式(WRF/UCM),对人为热作用进行敏感性试验,包括无人为热、无日变化人为热、有日变化人为热、人为热排放通量翻倍四种方案。结果显示,方案之间冠层感热通量的差异与人为热设置的差异大致相等。试验方案之间冠层内气温差异较小,单倍人为热与双倍人为热的最大差值约只有0.2℃。另外,人为热使湍流得到发展,双倍人为热比单倍人为热湍流动能增加约0.1～0.4 m2.s-2。且人为热对白天城市边界层湍涡有增强作用,添加单倍人为热后使气流垂直速度最大增加可达0.1 m.s-1,使垂直混合加强。有日变化的人为热对热岛强度的贡献在中午时最大,单倍人为热的平均贡献率15.9%,双倍人为热为22.8%;而无日变化的人为热在凌晨时贡献最大,平均贡献率14.9%。

一种基于WRF模式的可能最大暴雨估算新方法

数值天气模式能通过大气物理方程概化气象因子与暴雨关系,基于此模式的暴雨因子放大法已成为估算可能最大暴雨(PMP)的重要途径。考虑到风速在地形作用下能够影响水汽垂直运动,进而与水汽辐合共同影响降雨,增加风速作为放大因子,提出了基于WRF模式的水汽风速放大法估算PMP,即通过大量敏感性试验,研究水汽、风速放大的垂直层数、水平范围、倍比,诊断水汽、风速因子与PMP的正相关性,同时通过因子组合放大确定能产生最大降雨的最恶劣暴雨情景。将其应用于湖北咸宁核电厂暴雨预测中,与基于线性假定的传统水汽风速放大法相比,该法从因子放大后暴雨特征的同向增强效应角度确定最不利暴雨,更为科学合理。

北京地区一次空气重污染过程的气象条件模拟参数化敏感性试验

气象预报是影响大气重污染预报精度的关键所在。针对2016年12月16~21日北京市一次重污染过程,开展了中尺度气象模式WRF的参数化方案配置敏感性试验。对微物理过程、长波辐射过程、短波辐射过程、陆面过程、边界层过程、近地面过程以及积云对流参数化过程进行组合优选,共设计51组参数化方案组合,分析不同模拟方案下北京市8个气象站点温度、相对湿度、10 m风速的模拟精度及其敏感性。试验结果表明:温度模拟对长波过程参数化方案最为敏感,集合离散度达2.4~7.4℃,再次是短波过程参数化方案;相对湿度模拟也对长波过程参数化方案最敏感,再次是陆面过程;风速模拟对不同过程参数化方案的敏感性程度差异不大。通过模拟结果与观测的统计对比,优选出模拟误差最小的方案组合为Lin微物理方案、RRTMG长波方案、RRTMG短波方案、Tiedtke积云对流方案、Noah陆面方案、MYNN 3rd边界层方案和MYNN近地面方案,并将其与集合平均、基准方案进行对比。对于集合平均来说,其温度模拟与观测相关系数为0.69,高于基准方案,其模拟偏差与均方根误差比基准方案低25%和11%;集合平均的相对湿度和风速模拟相比基准方案变化较小。与集合平均相比,优选方案能同时改进温度、相对湿度和风速模拟,使温度模拟偏差和均方根误差比基准方案下降35%和17%,使相对湿度模拟偏差和均方根误差下降43%和13%,使风速模拟偏差和均方根误差下降33%和24%。以上结果表明,参数化方案的敏感性试验和优选能显著减小重污染期间气象要素的模拟误差,重污染预报改进需重点关注参数化方案模拟上的不确定性。本研究也发现MYNN3rd边界层方案在这次重污染过程的气象要素模拟上具有良好性能,可为未来重污染预报改进提供参考。

六盘山区一次典型暴雨过程的地形敏感性模拟试验

基于WRF(weather research and forecasting)中尺度数值模式,对2018年7月10日六盘山区一次典型的暴雨天气过程进行模拟,分析此次过程的动力场、水汽场、云降水微物理结构的演变特征,通过改变模式初始场中六盘山地形高度进行敏感性试验,对六盘山地形影响该地区降水机制进行讨论。结果表明:蒙古冷涡底部冷空气和副热带高压西侧暖湿气流在六盘山区交汇配合低层700 hPa切变线辐合抬升导致此次暴雨过程;控制试验较好地模拟出雨带的分布范围、强降水中心位置及动力场结构特征,在降水发展和旺盛阶段,东南暖湿气流受地形强迫抬升和地形绕流共同影响,六盘山西坡和东坡均为上升气流,配合700 hPa切变线系统在六盘山山脊处上升气流汇聚加强,将云水带到负温层形成过冷水,云水、冰晶、雪和霰在0℃层至-40℃层之间共存,有利于冰相粒子碰冻增长和贝吉龙过程发生;地形敏感性试验发现改变地形对降水落区范围影响不大,而地形增高使六盘山区降水量级显著增大,尤其强降水更多集中在迎风坡一侧(山脉东侧),地形强迫抬升作用使得上升气流和水汽的垂直输送进一步加强,云中冰相过程发展充分,过冷云水为雪和霰的增长提供有利条件,因此使得地面降水增多。

WRF模式云参数化方案对一次深对流系统模拟的验证和改进

使用中尺度数值模式WRF中的双参数云微物理方案WDM6针对2008年台风“凤凰”登陆过程中造成的强降水进行数值模拟,通过卫星模拟器利用MTSAT-1R和TRMM卫星观测的红外云顶黑体亮温TBB、PR雷达反射率资料使用统计方法验证模拟结果。通过修改云水向雨水自动转化过程、冰晶核化过程、雪和霰的下落末速度、雪和霰的截距进行敏感性试验,减小模拟结果和卫星观测结果的差异。研究结果表明:WDM6方案模拟的台风“凤凰”登陆后的降水,强对流云系及对流柱状雷达回波基本符合实况,但模拟结果局部偏强。WDM6方案模拟产生了较多的浅对流云,低估了对流云系的出现频率。不同云类型模拟的雷达回波均偏强,对流云系雷达回波垂直分布接近观测。敏感性试验结果说明修改WDM6方案中云水向雨水自动转化率有效地改善了模拟效果。同时发现云滴初始数浓度影响云水向雨水自动转化率并最终影响云系结构和雷达反射率的模拟结果,过高的云滴初始数浓度会使模拟结果变差。

台风对深港局地风影响数值模拟及地形敏感性试验

采用WRF中尺度模式和美国国家环境预报中心每6h一次的1°×1°全球再分析资料,分别对西北太平洋1208号台风韦森特及1415号台风海鸥个例进行了数值模拟,结果表明WRF模式可以较好地模拟台风中心移动的路径与强度变化,单点风速的时间变化表明模拟得到的近地风场与实际观测吻合。在模式结果与实际观测比较一致的基础上,开展了改变特定区域内的地形和陆面特征的敏感性试验,通过比较不同站点的观测和模拟风速的变化,探究台风影响下香港及深圳地区地形和下垫面性质的改变对深圳不同地区阵风变化的作用,发现对于登陆粤西或向西移动的台风,香港地形和陆地的阻挡和摩擦作用减弱了台风在深圳中西部地区引起的风速,香港对深圳中西部起到了一定的缓冲和保护作用,另外深圳地区的梧桐山地形所形成的峡口使得盐田港风力增大。

宾州/NCAR中尺度模式在天气、中尺度气象和气候研究中应用近况

本文概述宾州/NCAR中尺度模式最近对世界一些地区的大气现象研究情况。其中包括北太平洋和北大西洋的爆炸性气旋生成,在阿尔卑斯山区气象试验(ALPEX)期间欧洲的气旋生成及与此有关的臭氧输送,宾州和中国的暴雨和山洪爆发事件,中国的“高原”和“西南”低涡,美国的强风暴,中尺度对流复合体,抬升的混合层和“盖”,澳大利亚的南寒风,冬季期间美国阿巴拉契亚山脉以东的冷空气在低空受拦阻,城市热岛效应以及区域酸性沉积情况。本文也评述观测系统模拟试验(OSSEs)若干敏感性研究,供区域研究用的在全球气候模式内中尺度模式嵌套问题,以及最近由宾州大学作出的一些实时预报研究。上述和早期的一些研究工作得到重要的结论是:一个普通的中尺度模式,它具有真实处理的边界条件和物理过程,以及有较好的大尺度条件的初值化,它就能够模拟和预报世界不同地方各种天气和中尺度现象。而且从模式的模拟结果还可得到高分辨率的、动力协调的资料,从而有助于我们认识复杂的中尺度系统的物理机制。